Puente H

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto

Diseño Puente H Presentado por: Haider Oswaldo Navarro N. Código: 2083203

I.

OBJETIVOS



Hacer un puente H el cual trabaja con las parámetros específicos.



Escoger el mejor diseño en que alimenta una carga fija resistiva.



Probar mediante el montaje del circuito el correcto funcionamiento de nuestro diseño para complementar la teoría estudiada con lo práctico en laboratorio.

II.

medidas y

MARCO TEORICO

Figura 1: Estructura de un puente H (marcado en rojo).

Como hemos dicho el puente H se usa para invertir el giro de un motor, pero también puede usarse para frenarlo (de manera brusca), al hacer un corto entre las borneras del motor, o incluso puede usarse para permitir que el motor frene bajo su propia inercia, cuando desconectamos el motor de la fuente que lo alimenta. III.

Un Puente H es un circuito electrónico que permite a un motor eléctrico DC girar en ambos sentidos, avance y retroceso. Son ampliamente usados en robótica y como convertidores de potencia. Los puentes H están disponibles como circuitos integrados, pero también pueden construirse a partir de componentes discretos, Cuando las corrientes solicitadas en las bases de los transistores que conforman el puente H de 4 Transistores BJT NPN y PNP, no puede ser suministrada por el circuito controlador (sea compuerta o microcontrolador), entonces se hace necesario agregar transistores adicionales, que permitan adaptar los niveles de corrientes.



DISEÑO

Lo que se quiere en la especificación

Se quiere crear un puente H que mande a una carga fija con una corriente mínima de 200 [mA], con una frecuencia de 10 [KHz] en que el voltaje posee de salida mínimo menor al 2% de la amplitud entregada por la fuente de alimentación.



Método de diseño

Para empezar a trabajar con el diseño se analizó un modelo esquemático que se encontró por internet que se toma como interruptores y controles que se empleó los transistores BJT, pues es lo más habitual en este tipo de circuitos emplear interruptores de estado sólido como los transistores puesto que sus tiempos de vida y frecuencias de conmutación son mucho más altos. El circuito que requerimos es el llamado "Puente H" y está diseñado para hacer que el motor gire para la derecha, gire para la izquierda o que se detenga rápidamente. Este puente funciona de una manera muy sencilla.

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El esquema final se ve en la figura siguiente: Otra forma de desarrollar es con transistores es la variedad de referencias y adquisición en el mercado.



Esquema del circuito

El circuito que se analizó como guía en el diseño del puente H que se hizo una configuración básica típica, utilizamos 4 transistores como puente para los sentidos de la corriente para el control de bases.

Figura 3: Circuito del puente H a implementar.

Figura 2: Circuito del puente H usando transistores PNP y NPN.

Para polarizar y asegurar la utilización de los 4 transistores, se alimenta cada base de dichos elementos, se conectan los transistores para garantizar una corriente fija que se active o desactive y para poder activar cada elemento de manera adecuada que se puede alimentar una carga con corriente positiva o negativa.

Se usa una fuente de control que es una onda cuadrada con frecuencia de 10 KHz, en la entrada se utilizó transistores BD135 Q1 y Q6 que se le añadió al circuito, la polarización son los transistores Q2, Q3, Q4 y Q5 por medio de las resistencias R2 y R3 con corriente de base IB. En la configuración H el funcionamiento de los transistores es tal que siempre están conduciendo o bloqueados por parejas. Así, si Q2 y Q5 conducen, Q3 y Q4 están bloqueados y viceversa. Regulando el tiempo que conducen o están bloqueados se varía la velocidad (ver figura anterior) y regulando la pareja que conduce, el sentido de giro. En la base de Q1 y Q6 también se agregan resistencias R1 y R4 para que garantice el comportamiento de estos transistores en saturación con sus respectivas corrientes de base IB.



Selección de los transistores BJT

Empezando con el esquema en el diseño del puente H, se selecciona el tipo de transistor que se necesita para garantizar el requerimiento que se quiere para hacer del diseño propuesto. Entre las características deseadas se tienen unos posibles transistores para su construcción donde la gran escala de los transistores cumple con las especificaciones. Por esto se eligió por analizar varios tipos de transistores con las mismas especificaciones que ofrece el fabricante con su datasheet.



Tablas de transistores para el puente H.

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 Referencia Tipo

BD135 NPN

Referencia Tipo

BD136 PNP

IC 1,5[A]

IC -1,5[A]

IB 0,5[A]

Vce 40[V]

IB -0,5[A]

Vcb 45[V]

Vce 40[V]

Vcb 45[V]

Tabla de transistores BD135 y BD136

En la tabla anterior que se muestra las características que describen en el datasheet y las familias de los transistores BD135 de tipo N y BD136 tipos P, y el cual están diseñados para responder a altas frecuencias, que para la operación del puente H que se quiere y la frecuencia es menor de 10KHz operación. En la siguiente tabla se muestra las características básicas de otra referencia de transistores.

Referencia

TIP32

IC

IB

VCE

VBC

Tipo

PNP

3,0[A]

1,0[A]

40[V]

40[V]

β= 20

para la corriente Im o la Ic que pasa por los transistores Q4 y Q5 cuando tiene una tension de Vco maxima teniendo una corriente con sentido positiva por el motor pero en nuestro caso seria la resistencia de carga, Q2 y Q3 las tensiones que tiene son menor o cercana a 0 [V]. Se agarra un Vcc de 10 V para alimentar y polarizar los transistores N y P. Vco es una fuente de control que tomara una onda cuadrada que variará desde 0 hasta 10 [V] donde la variación es constante a 10 [KHz], se controla los 4 transistores de manera operacional, donde se desea una corriente minima de 200 [mA]. Al ejecutar con transistores BJT, se debe tomar una corriente que polarice el transistor en su base, en el caso que no sucede se tomara transistores tipo MOSFET los cuales se usan tensiones entre puerta y surtidor para que funcione el dispositivo. Es necesario definir parametro llamado β que es la relación de un amplificador que posee la corriente de la base y la del colector, el cual sea mínimo 10 veces mayor a la corriente que pasa por el colector con respecto a su base. Para calcular las resistencias R1 y R4, los cuales polarizan los transitores que regulan al puente H se tiene las siguientes ecuaciones:

Los transistores BD135 a comparación con los TIP32 y BD136 posee menos aplificación de corriente como se muestran en sus valores máximos, tambien tiene menos corriente de colector Ic y menos corriente de base IB, y ademas posee igual rango de alimentación en sus voltaje cuerpo-emisor y base-emisor.

Trabajan en un rango mayor a la frecuencia de operación deseada de 10 KHz, si que tener ningun problema con su fabricacion.



Las corrientes I4 e I1, esas corrientes viene de la fuente de la onda cuadrada y se han tomado las tensiones de base-emisor de 0.7 [V] de los transistores de la malla externa. Para el diseño se requiere que R1 y R4 sean iguales valores.

Cálculos para el puente H.

Empezando del esquema seleccionado anteriormente, calculamos los elementos del diseño del puente H se requiere baja las especificaciones .

las resistencias R2 y R3 se polariza la corriente de base del puente H se tiene las siguientes mallas.

Para el calculo de las resistencias que polarizan los transistores N y P se asumen los siguientes valores.



Im = Ic = 300 [mAp]



Vcc = 10 [V]



Vco = 10 [Vp]

Para hallar el valor de R2 se deben tener las siguientes consideraciones:

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1.

El diseño no va a tener un motor de corriente continua como la carga del puente H, porque no se necesita para hacer el laboratorio. En este informe se toma una carga de resistencian que varia desde 7 hasta 160[Ω], este rango de resistencia son muy comunes que se puede presentar en un motor que sea de imanes permanentes.

2.

Para calcular, Se debe tener en cuenta las caidas de tensión que posee en el circuito al polarizar sus transistores, asegurando que la corriente se mantenga constante.

La resistencia de la carga (RL) se calcula por la medio de malla Figura 4: Esquemático del circuito de puente H en Orcad

Aumiendo que los voltajes de caida tension es de 0.19 y -0.19 que se presenta en los transistores del puente H cuando se esta trabajando.

Con los parámetros definidos entonces las ecuaciones que obtivimos en el esquematico es lo siguiente valores:

Figura 5: Grafica Tensión de Salida

los transistores Q3 y Q4 no es necesario en estar polarizados un expecífico como los transistores del puente H y manejaran corrientes mas pequeñas se asume una corriente de base cercana a la de Is e It

Reemplazando en las ecuaciones tenemos:

IV.

SIMULACIÓN

Ya con los pasos anteriores se calcularon todos los valores para para poder hacer la simualcion. Figura 6: Graficas de la corriente de la resistencia de carga



Simulaciones con los transistores BD135, BD136

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V.

Componentes

Podemos comparar los transistores de diferentes caracteristica como tambien con los MOSFET, se puede tomar diferentes valores de transistores y tendra los mismo comportamiento, donde la resistencia de carga debe tener un mayor vateaje para que pueda consumir corriente.

La imagen que se mostro anterior salida de la fuente es de 9,8 [V] en la carga RL de 33[Ω] a un vateaje de 5[W] lo cual nos asegura una corriente aproximada de 326[mA] cuando el puente H esta activo.

VII. VI.

Conclusiones

Fotos de la implementación

 En las fotos siguientes se ve el circuito montado en la protoboard:





En la practica se ve que la señal cuadrada en la salida de la carga una señal con amplitud de 10[V] y la otra con una señal de 250[mV] de amplitud, en la simulación tambien daba igual. Que a cambiar la señal de entrada en cualquier entrada daba la misma amplitud pero con una señal cuadrada invertida. Que los transistores en el Puente H cuando se polariza funciona como interruptores.

VIII.

Foto 1: fuente con el voltaje y con la corriente de consumo

Foto 2: Grafica del osciloscopio en tension del puente H

REFERENCIAS

[1]http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_H_(electr%C3%B3nica ) [2]http://picaxe.electronicasimple.com/2008/10/l293dcontrolando-motores-dc_13.html [3] http://es.scribd.com/doc/92460991/1N4148-Diodo [4]http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_H_(electr%C3%B3nica ) [5] http://www.plaquetodo.com/hoja-de-datos/L298.pdf [6]http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/texasinstruments /l293d.pdf

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